CN106122522B - 一种多种流体周期性定向导流装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多种流体周期性定向导流装置，包括定子和转子，定子包括圆柱管部件以及第一圆盘部件、第二圆盘部件；转子转动设置在由第一圆盘部件、第二圆盘部件和圆柱管部件围成的空间内；在第一圆盘部件的内部设置有多个定子分布通道，在第二圆盘部件的内部设置有多个定子集合通道；在转子的圆柱面间隔设置有多个圆周通道；在圆柱管部件上设置有多个定子供液通道和多个定子排液通道；在转子的内部设置有多个转子分布通道、多个转子集合通道和多个转子连通通道。
Description
技术领域
本发明涉及一种多种流体周期性定向导流装置，其用于多种液体经各自独立的流路向各自独立的目标地定向地进行导流。
背景技术
具有多种液体周期性定向导流功能的多通道阀，在物理、化学和色谱分析过程中有着广泛的应用。
1953年，美国专利US2706532公开了第一个多通道阀的结构，它的结构特点是：(1)包括两个圆盘状定子和一个圆柱状转子，定子的分集通道和供排液通道均位于同一定子内；(2)转子通道与定子通道连通的开口以及供排液圆周通道都位于转子的两端，转子与定子之间依靠两个平面密封密闭。
1959年美国UOP公司公开了第一个上市的多通道阀的结构(US3040777)，它的结构特点是：包括一个圆盘状定子、一个圆盘状转子和一个平面密封，供排液圆周通道在一个平面内同心分布。
1986年国UOP公司公开了一个较理想的多通道阀结构(US4569371)，它的结构特点是：(1)包括三个圆柱管形定子和一个圆柱形转子，定子分集通道位于中部直径大的定子上，定子供排液通道位于两端直径较小的两个定子上；转子通道位于转子两端直径较小的圆柱体内，转子通道与定子通道连通的开口位于转子中部直径较大圆柱体的圆柱面上。(2)转子与定子之间形成三个圆柱面密封，密封依靠位于通道开口内弹簧的弹力。
1986年国UOP公司公开了另一个较理想的多通道阀(US4574840)结构，其结构与(US4569371)公开的结构类似，不同之处在于：转子通道与定子分集通道之间的密封由圆柱面密封改为平面密封，转子轴一个转子分割为两个转子。
1995年，美国Advanced Separation Technologies Incorporated公开了第二个上市多通道阀结构(US5676826)，该结构由一个定子和一个转子构成，定子上只有供排液通道，无供排液圆周通道，多通道阀的其它功能依靠反应器与转子同步旋转完成。
2004年，Puritech公司公开了第三个上市的多通道阀结构(US6802970)，它的结构特点是：(1)包括二个圆盘形定子，一个圆柱管形定子和一个圆柱体转子，转子位于三个定子围成的空间内；定子供排液通道位于两端的两个圆盘形定子上，定子分集通道位于中部圆柱管形定子上；供排液圆周通道位于转子两个端面与两个圆盘形定子之间；转子通道与定子分集通道连通的开口位于转子的圆柱面上。(2)转子与定子之间形成三个密封：两个平面密封和一个圆柱面(或圆锥面)密封。
上述专利中，US4574840和US4569371的结构的缺陷是，阀在步进过程中其密封方式存在瞬时的返流泄漏。US3040777，US6802970和US5676826公开的结构的缺陷是，随着通道数量的增多或/和通道直径的增大，阀的直径和密封面积将急剧增大，制造和密封等都将面临严峻挑战。如对于7通道24口US3040777阀(5个反应器)，目前最大转子直径只能到4.5英尺，此阀占地面积8.5×8.5平方英尺，高15英尺，26,000重达英磅。US5676826公开的结构面临反应器与阀旋转同步，以及反应器旋转载架的载重限制等挑战。
综上所述，物理、化学和色谱相关领域迫切需求直径体更小、重量更轻、能容纳更多通道或/和更大直径通道、密封面积小、密封更容易更可靠的多通道旋转阀。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种直径体更小、重量更轻、能容纳更多通道和/或更大直径通道的多种流体周期性定向导流装置。
为实现上述目的，本发明采用以下两种技术方案：一种多种流体周期性定向导流装置，其特征在于：包括定子和转子，所述定子包括圆柱管部件以及位于所述圆柱管部件两端的第一圆盘部件和第二圆盘部件；所述转子为圆柱体结构，转动设置在由所述第一圆盘部件、第二圆盘部件和圆柱管部件围成的空间内；在所述第一圆盘部件的内部设置有多个定子分布通道，每一个所述定子分布通道在所述第一圆盘部件表面形成两个开口，其中一个开口位于所述第一圆盘部件的侧面，用于与一个反应器的进液口连接，另一个开口位于所述第一圆盘部件朝向所述转子的一侧；在所述第二圆盘部件的内部设置有多个定子集合通道，每一个所述定子集合通道在所述第二圆盘部件表面形成两个开口，其中一个开口位于所述第二圆盘部件的侧面，用于与一个反应器的排液口连接，另一个开口位于所述第二圆盘部件朝向所述转子的一侧；在所述转子的圆柱面间隔设置有多个圆周凹槽，每一个所述圆周凹槽与所述圆柱管部件的内壁围成一个圆周通道；在所述圆柱管部件上设置有多个定子供液通道和多个定子排液通道，每一个所述定子供液通道的内端与一个圆周通道相通，外端用于与供液储罐连接；每一个所述定子排液通道的内端与一个圆周通道相通，外端用于与排液储罐连接；在所述转子的内部设置有多个转子分布通道、多个转子集合通道和多个转子连通通道，每一个所述转子分布通道的一端与一个通向所述定子供液通道的圆周通道相通，另一端在所述转子朝向第一圆盘部件的一侧形成开口且与一个所述定子分布通道对接；每一个所述转子集合通道的一端与一个通向所述定子排液通道的圆周通道相通，另一端在所述转子朝向第二圆盘部件的一侧形成开口且与一个所述定子集合通道对接；每一个所述转子连通通道平行于所述转子的轴线布置，其一端在所述转子朝向所述第一圆盘部件的一侧形成开口且与一个所述定子分布通道对接，另一端在所述转子朝向所述第二圆盘部件的一侧形成开口且与一个所述定子集合通道对接。
在由用于供液的圆周通道、转子分布通道、定子分布通道、定子集合通道、转子集合通道、用于排液的圆周通道所构成的单一液体的流通路径上，液体在各处的流通截面积相等；用于供液的所述圆周通道数或与用于排液的所述圆周通道数大于等于液体种类数；所述定子供液通道数或定子排液通道数大于等于用于供液的所述圆周通道数或与用于排液的所述圆周通道数；所述转子分布通道数或转子集合通道数大于等于用于供液的所述圆周通道数或与用于排液的所述圆周通道数。
液体种类数为1～20。
所述转子的两端设置为圆柱结构或锥度为5°～70°的圆锥结构，在所述转子的端部与所述第一圆盘部件以及所述转子的端部与所述第二圆盘部件的连接处设置有密封面。
所述转子的两端为圆锥结构时，其锥度为30°～40°。
所述反应器数量为转子分布通道数或转子集合通道数的1～10倍。
所述反应器数量为转子分布通道数或转子集合通道数的1～3倍。
所述密封面的材料为橡胶、聚氨酯、聚酰胺、聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、超高分子量聚乙烯、聚氟乙烯、PEEK之一。
所述定子和转子的材料为金属材料、塑料或塑料包覆金属的复合材料。
所述定子和转子的材质为钛或不锈钢。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明将定子供液通道、定子排液通道、定子分布通道和定子集合通道分布在空间不同的区域，将供、排液圆周通道等半径同轴排布，提供了一种直径体更小、重量更轻、能容纳更多通道和/或更大直径通道、密封面积小、密封更容易更可靠的流体定向导流装置，可满足物理、化学和色谱相关领域的切实需求。
附图说明
图1是本发明沿转子分布通道的纵剖示意图；
图2是本发明定子分布通道在第一圆盘部件内的平面布置图；
图3是本发明转子分布通道在转子端部开口的平面示意图；
图4是本发明转子分布通道所在圆周面的展开示意图；
图5是本发明本发明沿转子连通通道的纵剖示意图；
图6是本发明转子两端采用圆锥结构时的纵剖示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括定子11和转子12，其中，定子11包括第一圆盘部件13、第二圆盘部件14和圆柱管部件15，第一圆盘部件13和第二圆盘部件14位于圆柱管部件15的两端；转子12为圆柱体结构，可转动地设置在由第一圆盘部件13、第二圆盘部件14和圆柱管部件15围成的空间内。
在第一圆盘部件13的内部设置有多个定子分布通道16，各定子分布通道16呈放射状均匀分布于第一圆盘部件13的同一个截面内(如图2所示)，每一个定子分布通道16在第一圆盘部件13表面形成两个开口，其中一个开口位于第一圆盘部件13的侧面，用于与一个反应器(目标地)的进液口连接，另一个开口位于第一圆盘部件13朝向转子12的一侧。在第二圆盘部件14的内部设置有多个定子集合通道17，各定子集合通道17呈放射状均匀分布于第二圆盘部件5的同一个截面内，每一个定子集合通道17在第二圆盘部件14表面形成两个开口，其中一个开口位于第二圆盘部件14的侧面，用于与一个反应器的排液口连接，另一个开口位于第二圆盘部件14朝向转子12的一侧。
在转子12的圆柱面间隔设置有多个圆周凹槽，每一个圆周凹槽与圆柱管部件15的内壁围成一个圆周通道18。在圆柱管部件15上设置有多个定子供液通道19和多个定子排液通道20，其中，每一定子供液通道19的内端与一个圆周通道18相通，外端用于与供液储罐(图中未示出)连接；每一个定子排液通道20的内端与一个圆周通道18相通，外端用于与排液储罐(图中未示出)连接。在转子12的内部设置有多个转子分布通道21、多个转子集合通道22和多个转子连通通道23，其中，每一个转子分布通道21的一端与一个通向定子供液通道19的圆周通道18相通，另一端在转子12朝向第一圆盘部件13的一侧形成开口且与一个定子分布通道16对接。每一个转子集合通道22的一端与一个通向定子排液通道20的圆周通道18相通，另一端在转子12朝向第二圆盘部件14的一侧形成开口且与一个定子集合通道17对接。每一个转子连通通道23平行于转子12的轴线布置(如图5所示)，其一端在转子12朝向第一圆盘部件13的一侧形成开口且与一个定子分布通道16对接，另一端在转子12朝向第二圆盘部件14的一侧形成开口且与一个定子集合通道7对接。如图3、图4所示，转子分布通道21、转子集合通道22和转子连通通道23沿周向分布在转子12的同一个圆周上。
当本发明转子12发生步进旋转时，转子12上的转子分布通道21、转子连通通道23与第一圆盘部件13上的定子分布通道16的对接情况以及转子12上的转子集合通道22、转子连通通道23与第二圆盘部件14上的定子集合通道6的对接情况将发生变化，导致各流体改变目标地(反应器)。步进变位后，供液储罐、反应器和排液储罐的相互连通的逻辑关系不变，变化的仅仅是被连通的反应器，这种变化是由转子的步进变位导致定子分布通道16和定子集合通道17的位置切换而实现的。如由“0”位步进到“1”位时，n0个反应器、定子分布通道和定子集合通道都由0～j位变至1～j+1位。
本发明提出的多种流体周期性定向导流装置，液体种类数n0为1～20，优选1～8；反应器数量n3为转子分布通道数n2-11或转子集合通道数n2-12的1～10倍，优选1～3倍。反应器数量n3＝定子分布通道数n1-11＝定子集合通道数n1-12＝转子分布通道数n2-11+转子连接通道数n2-2＝转子集合通道数n2-11+转子连接通道数n2-2。液体种数n0≤定子供液通道数n1-21＝供液圆周通道数n4-1≤转子分布通道数n2-11＝定子分布通道数n2-11-转子连接通道数n2-2＝反应器数量n1-转子连接通道数n2-2＝定子集合通道数n2-12-转子连接通道数n2-2＝转子集合通道数n2-12≥排液圆周通道数n4-2≥定子排液通道数n1-22。
当转子12与定子11处于对接连通的某特定位置时，如“0”位，n0条定子供液通道19→n0条供液圆周通道18→n0条转子分布通道21→n0条(0～j，j＝n0-1)定子分布通道16→n0个(0～j，j＝n0-1)反应器→n0条(0’～j’，j’＝n0-1)定子集合通道17→n0条转子集合通道22→n0条排液圆周通道18→n0条定子排液通道20之间相互连通；n3个反应器的供液口与n3条定子分布通道9连通，反应器的排液口与→n3条定子集合通道17连通，n3-n0条转子连通通道23将n3-n0条定子分布通道16与n3-n0条定子集合通道17连通。
上述实施中，如图4所示，转子分布通道21与转子集合通道22之间错位一个单元，如以6通道18口的导流装置为例，一个单元含3个反应器，占位60°，转子分布通道21与转子集合通道22的对应关系为1-2’、2-3’、3-4’，4-5’、5-6’和6-1’。
上述实施例中，在由用于供液的圆周通道18、转子分布通道21、定子分布通道16、定子集合通道17、转子集合通道22、用于排液的圆周通道18所构成的单一液体的流通路径上，液体在各处的流通截面积相等。用于供液的圆周通道数或与用于排液的圆周通道数大于等于液体种类数(液体种类数为1～20)；定子供液通道数或定子排液通道数大于等于用于供液的圆周通道数或与用于排液的圆周通道数；转子分布通道数或转子集合通道数大于等于用于供液的圆周通道数或与用于排液的圆周通道数。
上述实施例中，转子12与圆柱管部件15通过轴承26连接。
上述实施中，本发明还包括轴(图中未示出)，穿过第一圆盘部件13和第二圆盘部件14的中心孔且与转子12紧固连接，轴的另一端通过减速器与驱动电机或气缸连接，以驱动转子12实现步进旋转。
上述实施例中，转子12的两端可以设置为圆柱结构(如图1所示)，也可以设置为圆锥结构(如图6所示)，当为圆锥结构时，锥度为5°～70°，优选30°～40°。在转子12的端部与第一圆盘部件13以及转子12的端部与第二圆盘部件14的连接处设置有密封面14。当转子12的端部采用圆柱结构时，密封面24采用圆平面结构，当转子12的端部采用圆锥结构时，密封面24采用圆锥面结构。
上述实施例中，在每两个圆周通道18之间均设置一个密封圈25，每一个密封圈25均设置于开设在转子12的圆柱面上的环形凹槽中，密封圈25为(但不限于)“O”形、矩形、“K”形、“COP”形，以及其任意组合形。密封面24和密封圈25的材质为(但是不限于)橡胶(丁腈橡胶、氟橡胶、硅橡胶、聚丙烯酸酯橡胶、乙丙橡胶、夹布橡胶)、聚氨酯、聚酰胺、聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、超高分子量聚乙烯、聚氟乙烯、PEEK等，及其复合材料。
上述实施例中，定子11和转子12的制作材料为(但不限于)钛、不锈钢、Cr系(400系列)、Cr-Ni系(300系列)、Cr-Mn-Ni系(200系列)及其析出硬化系列等金属材料，聚酰胺、聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、超高分子量聚乙烯、聚氟乙烯、PEEK等塑料，以及塑料包覆金属的复合材料。
上述实施例中，反应器为中空容器，容器内填充物为(但不限于)需要再生的各种色谱填料(如硅胶、键合硅胶、聚合物、生物胶等)、吸附剂、催化剂、过滤介质等，及需要定时周期性更换液相反应物的液固反应的固相引物。
本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (8)
1.一种多种流体周期性定向导流装置，其特征在于：包括定子和转子，所述定子包括圆柱管部件以及位于所述圆柱管部件两端的第一圆盘部件和第二圆盘部件；所述转子为圆柱体结构，转动设置在由所述第一圆盘部件、第二圆盘部件和圆柱管部件围成的空间内；
在所述第一圆盘部件的内部设置有多个定子分布通道，每一个所述定子分布通道在所述第一圆盘部件表面形成两个开口，其中一个开口位于所述第一圆盘部件的侧面，用于与一个反应器的进液口连接，另一个开口位于所述第一圆盘部件朝向所述转子的一侧；在所述第二圆盘部件的内部设置有多个定子集合通道，每一个所述定子集合通道在所述第二圆盘部件表面形成两个开口，其中一个开口位于所述第二圆盘部件的侧面，用于与一个反应器的排液口连接，另一个开口位于所述第二圆盘部件朝向所述转子的一侧；
在所述转子的圆柱面间隔设置有多个圆周凹槽，每一个所述圆周凹槽与所述圆柱管部件的内壁围成一个圆周通道；在所述圆柱管部件上设置有多个定子供液通道和多个定子排液通道，每一个所述定子供液通道的内端与一个圆周通道相通，外端用于与供液储罐连接；每一个所述定子排液通道的内端与一个圆周通道相通，外端用于与排液储罐连接；在所述转子的内部设置有多个转子分布通道、多个转子集合通道和多个转子连通通道，每一个所述转子分布通道的一端与一个通向所述定子供液通道的圆周通道相通，另一端在所述转子朝向第一圆盘部件的一侧形成开口且与一个所述定子分布通道对接；每一个所述转子集合通道的一端与一个通向所述定子排液通道的圆周通道相通，另一端在所述转子朝向第二圆盘部件的一侧形成开口且与一个所述定子集合通道对接；每一个所述转子连通通道平行于所述转子的轴线布置，其一端在所述转子朝向所述第一圆盘部件的一侧形成开口且与一个所述定子分布通道对接，另一端在所述转子朝向所述第二圆盘部件的一侧形成开口且与一个所述定子集合通道对接。
2.如权利要求1所述的一种多种流体周期性定向导流装置，其特征在于：在由用于供液的圆周通道、转子分布通道、定子分布通道、定子集合通道、转子集合通道、用于排液的圆周通道所构成的单一液体的流通路径上，液体在各处的流通截面积相等；用于供液的所述圆周通道数或与用于排液的所述圆周通道数大于等于液体种类数；所述定子供液通道数或定子排液通道数大于等于用于供液的所述圆周通道数或与用于排液的所述圆周通道数；所述转子分布通道数或转子集合通道数大于等于用于供液的所述圆周通道数或与用于排液的所述圆周通道数。
3.如权利要求2所述的一种多种流体周期性定向导流装置，其特征在于：液体种类数为1～20。
4.如权利要求1所述的一种多种流体周期性定向导流装置，其特征在于：所述转子的两端设置为圆柱结构或锥度为5°～70°的圆锥结构，在所述转子的端部与所述第一圆盘部件以及所述转子的端部与所述第二圆盘部件的连接处设置有密封面。
5.如权利要求1所述的一种多种流体周期性定向导流装置，其特征在于：所述反应器数量为转子分布通道数或转子集合通道数的1～10倍。
6.如权利要求4所述的一种多种流体周期性定向导流装置，其特征在于：所述密封面的材料为橡胶、聚氨酯、聚酰胺、聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、超高分子量聚乙烯、聚氟乙烯、PEEK之一。
7.如权利要求1所述的一种多种流体周期性定向导流装置，其特征在于：所述定子和转子的材料为金属材料、塑料或塑料包覆金属的复合材料。
8.如权利要求1所述的一种多种流体周期性定向导流装置，其特征在于：所述定子和转子的材料为钛或不锈钢。
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